Was ist Entkohlung?

Entkohlung ist die Verringerung des Kohlenstoffgehalts in geschmolzenen oder erstarrten Legierungen. Entkohlungsprozesse kommen hauptsächlich bei der Produktion und Verarbeitung von Stahl vor. Sie können auch bei Gusseisen auftreten, das hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Hier erfahren Sie, welche Aufgaben der Kohlenstoff übernimmt, wann er dem Material gezielt entzogen wird und wobei er ungewollt entweicht.

Entkohlung bei der Produktion von Stahl

In der Natur kommt Eisen stets in der Verbindung mit Sauerstoff als Eisenoxid vor. Um das Eisen zu gewinnen, muss diese Verbindung getrennt werden. Die dafür erforderliche chemische Reaktion wird als Reduktion bezeichnet. Das gebräuchlichste Reduktionsmittel ist Kohlenstoff. Bei hohen Temperaturen verbindet er sich mit dem Sauerstoff aus dem Eisenoxid zu Kohlendioxid. Aus Sicht des Kohlenstoffs erfolgt eine Oxidation. Der Gesamtprozess wird deshalb als Redoxreaktion bezeichnet. Für die komplette Umwandlung des Oxids ist ein Kohlenstoffüberschuss notwendig. Deshalb entsteht bei diesem Prozess eine kohlenstoffhaltige Eisenlegierung. Der Kohlenstoff bewirkt, dass das von Natur aus weiche Eisen Festigkeit bekommt.

Allerdings wird der Werkstoff mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt immer spröder. Durch die Entkohlung lässt sich der Anteil des Kohlenstoffs im Gemisch auf den Wert einstellen, bei dem Festigkeit und Zähigkeit die für den jeweiligen Einsatzzweck erforderlichen Werte erreichen. Die Entkohlungsprozesse erfolgten durch das Einblasen von Luft, in der der überschüssige Kohlenstoff verbrennt. Der Vorgang wird als Frischen bezeichnet. Bis zu einem Kohlenstoffgehalt von maximal 2,06 % lässt sich das Material schmieden und walzen. Das ist das das charakteristische Merkmal für Stahl. Bei einem höheren Gehalt an Kohlenstoff liegt Gusseisen vor.

Entkohlung von Halbzeugen und Fertigteilen

Die mechanischen Eigenschaften von Stahl hängen nicht nur vom Anteil des Kohlenstoffs ab, sondern auch davon, wie der Kohlenstoff im Materialgefüge verteilt ist und wie das Gefüge insgesamt beschaffen ist. Das Materialgefüge bildet sich beim Abkühlen der Schmelze. Ist die Schmelztemperatur erreicht, erstarren zuerst einzelne Kristalle, an denen sich immer mehr Atome anlagern. Die Kristalle wachsen so lange, bis sie mit ihren Nachbarn zusammentreffen. Es bildet sich ein Gefüge aus einzelnen Körnern aus. Die Geschwindigkeit, mit der die Schmelze abkühlt, ist dafür ausschlaggebend, ob sich die Kohlenstoffatome in die Kristalle einlagern können oder ob sie sich mit dem Platz an den Korngrenzen begnügen müssen. Die Weiterverarbeitung des Stahls zu Halbzeugen erfolgt durch Umformprozesse. Dabei ändert sich das Gefüge durch die Krafteinwirkung und den Wärmeeinfluss.

Um es in den für den jeweiligen Verwendungszweck erforderlichen Zustand zu bringen, werden Halbzeuge und Fertigteile häufig einer Wärmebehandlung unterzogen. Sowohl beim Warmumformen der Halbzeuge als auch bei der Wärmebehandlung kann es zu einer ungewollten Entkohlung der oberflächennahen Bereiche des Werkstoffs kommen. Die Kohlenstoffatome wandern bei erhöhten Temperaturen an die Werkstoffoberfläche.

Die Kohlenstoffatome setzen sich an der Oberfläche mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Kohlenstoffdioxid um. Das kann so weit führen, dass der Kohlenstoff aus den betroffenen Bereichen komplett verschwindet. Dann spricht man von Auskohlung. Eine Verarmung, bei der sich der Kohlenstoffgehalt lediglich verringert, wird als Abkohlung bezeichnet.

Auswirkung der ungewollten Entkohlungsprozesse

Durch die Entkohlung verlieren die oberflächennahen Werkstoffbereiche ihre Festigkeit. Das führt besonders bei fertigen Teilen, die durch Biegung beansprucht werden, schnell zur Bildung von Rissen und zum Materialversagen. Daraus können hohe Kosten und schwerwiegende Unfallschäden resultieren. Eine weitere Auswirkung ergibt sich beim Verschleiß- und Korrosionsschutz.

Viele Teile werden in nachfolgenden Verfahren der Oberflächentechnik mit Beschichtungen versehen, die vor Korrosion und Verschleiß schützen. Diese Schichten können infolge der Verringerung des Kohlenstoffs an der Oberfläche der Teile, dem Festigkeitsverlust und der Bildung von Rissen ihre Haftfähigkeit verlieren und abblättern. Um hohe Folgekosten durch die Entkohlung zu vermeiden, muss vor dem Einsatz der Oberflächentechnik geprüft werden, ob es bei wärmebehandelten oder warm umgeformten Teilen zu Entkohlungsprozessen der Randschichten gekommen ist.

Ermittlung der Entkohlungstiefe

Die Dicke der Randschicht, in der Entkohlungsprozesse stattgefunden haben, wird als Entkohlungstiefe bezeichnet. Zur Qualitätssicherung und zur Ursachenermittlung bei Schäden ist es häufig erforderlich, diesen Wert zu bestimmen. Die Ermittlung der Entkohlungstiefe erfolgt durch metallographische Methoden. Dafür werden Schliffproben hergestellt. Das sind Teile, die aus dem zu untersuchenden Material herausgetrennt und glatt geschliffen werden.

Die geschliffene Fläche wird anschließend geätzt. Dadurch lassen sich unter dem Mikroskop die einzelnen Körner und die Korngrenzen erkennen. Die Bereiche, in denen eine Entkohlung stattgefunden hat, erscheinen deutlich heller, als das kohlenstoffhaltige Grundgefüge und können so ausgemessen werden.

Maßnahmen zur Verhinderung der Auswirkungen

Bei der Warmumformung kann den Entkohlungsprozessen durch geeignete Umformschmierstoffe entgegengewirkt werden, die den Luftkontakt verhindern. Die Oberflächentechnik hält dafür Schmierstoffe bereit, die einen dichten, zähen und fest haftenden Film bilden. Ansonsten muss eine entsprechende Bearbeitungszugabe vorgesehen werden. Die entkohlten Randschichten werden dann später durch spanende Verfahren abgetragen.

Entkohlung im Betrieb von Maschinenteilen

Zu Entkohlungsprozessen kann es auch kommen, wenn Maschinenteile aus Stahl im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Hier verhindern geeignete Beschichtungen der Oberflächentechnik, die den direkten Kontakt zwischen Material und umgebender Außenluft unterbinden, dass Kohlenstoff aus den oberflächennahen Bereichen des Werkstoffes entweicht.